黑洞的質(zhì)量可以比太陽大幾十億倍，但正如觀察發(fā)現(xiàn)的那樣，超大質(zhì)量黑洞，怎么可能在現(xiàn)在138.2億歲宇宙“剛剛”8億歲的時(shí)候就已經(jīng)存在了？

對(duì)于天體物理學(xué)家來說，在如此短的時(shí)間內(nèi)形成這些宇宙怪獸黑洞，確實(shí)是一個(gè)令人頭疼的科學(xué)問題，這對(duì)目前對(duì)黑洞這些天體演化的認(rèn)識(shí)提出了重要問題。

國(guó)際高級(jí)研究學(xué)院博士生Lumen Boco和導(dǎo)師Andrea Lapi現(xiàn)在在《天體物理學(xué)》期刊上發(fā)表了一新項(xiàng)研究，為這個(gè)棘手的問題提供了可能的解釋。多虧了來自的里雅斯特科學(xué)家建立的原始模型，這項(xiàng)研究提出了一個(gè)在超大質(zhì)量黑洞演化的初始階段，而且非?？斓男纬蛇^程，而到目前為止，這些過程被認(rèn)為是較慢的。

研究結(jié)果從數(shù)學(xué)上證明了超大質(zhì)量黑洞在年輕宇宙中存在是可能的，研究結(jié)果調(diào)和了黑洞“生長(zhǎng)”過程中所需的時(shí)間和宇宙年齡的限制。未來的引力波探測(cè)器（愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡和麗莎），可以為這一理論得到充分的驗(yàn)證，但也可以用目前先進(jìn)的LIGO/Virgo引力波天文臺(tái)在幾個(gè)基本方面進(jìn)行測(cè)試?？茖W(xué)家們從一個(gè)眾所周知的觀測(cè)證據(jù)開始研究：超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)發(fā)生在星系中心區(qū)域。

星系中心的宇宙怪獸

這些星系是當(dāng)前橢圓星系的前身，那里的氣體含量非常高，恒星形成非常強(qiáng)烈。超大質(zhì)量恒星的壽命很短，很快演化成恒星黑洞，大到太陽質(zhì)量的幾十倍，相比之下雖然很小，但很多都是在這些星系中形成的。形成的恒星黑洞周圍致密氣體具有非常強(qiáng)大的動(dòng)摩擦力決定性效應(yīng)，并使它們非常迅速地遷移到星系中心。到達(dá)中心區(qū)域的眾多黑洞，大多數(shù)會(huì)相互較量吞噬合并，形成超大質(zhì)量的黑洞種子。

根據(jù)經(jīng)典理論，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞在星系的中心生長(zhǎng)，捕獲周圍的物質(zhì)，主要是氣體，自己‘生長(zhǎng)’，最后以與其質(zhì)量成正比的節(jié)奏吞噬它。因此，在黑洞發(fā)展的最初階段，當(dāng)黑洞的質(zhì)量很小時(shí)，增長(zhǎng)非常緩慢。根據(jù)計(jì)算，要達(dá)到觀測(cè)到的質(zhì)量，即使是太陽的數(shù)十億倍，也需要很長(zhǎng)的時(shí)間。然而，研究表明，事情可以發(fā)展得比這快得多。

黑洞瘋狂式的增大

研究的數(shù)值計(jì)算表明，恒星黑洞的動(dòng)態(tài)遷移和聚變過程，可以使超大質(zhì)量黑洞種子在短短1~5億年內(nèi)達(dá)到太陽質(zhì)量的1萬~10萬倍。在這一點(diǎn)上，根據(jù)前述標(biāo)準(zhǔn)理論所設(shè)想氣體的直接吸積，中心黑洞的增長(zhǎng)將變得非?？?，因?yàn)樗晒ξ臀盏臍怏w數(shù)量將變得非常巨大，并在研究提出的過程中占據(jù)主導(dǎo)地位。

然而，正是本研究機(jī)制所設(shè)想從如此大的黑洞種子開始的事實(shí)，也是在年輕宇宙中，加速了超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)，并允許其形成。簡(jiǎn)而言之，根據(jù)這個(gè)理論，我們可以說宇宙8億歲時(shí)就可以并存在了超大質(zhì)量黑洞。研究除了說明模型并證明其有效性外，還提出了一種測(cè)試方法：大量恒星黑洞與位于中心的超大質(zhì)量黑洞種子融合將產(chǎn)生引力波。

“看”超大質(zhì)量黑洞種子的生長(zhǎng)

所以，可以用目前和未來的引力波探測(cè)器看到和研究這些引力波。特別是，當(dāng)星系中央黑洞種子還很小的時(shí)候，在初始階段發(fā)出的引力波將可以被像Advanced LIGO/Virgo這樣的引力波天文臺(tái)探測(cè)器進(jìn)行識(shí)別，并可以由未來的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡完全表征。未來的探測(cè)器Lisa，使得超大質(zhì)量黑洞的后續(xù)演化階段可以被進(jìn)行研究，該探測(cè)器將在2034年左右發(fā)射到太空。

通過這種方式，研究提出的黑洞演化過程，可以通過未來的引力波探測(cè)器，以互補(bǔ)的方式在其不同階段進(jìn)行驗(yàn)證。本研究表明，研究人員正在如何充分接近引力波和多信使天文學(xué)的新前沿。特別是，主要目標(biāo)將是開發(fā)理論模型，如此次設(shè)計(jì)的模型，它將有助于利用當(dāng)前和未來引力波實(shí)驗(yàn)中獲得的信息，從而有望為與天體物理、宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理有關(guān)懸而未決的問題提供解決方案。

博科園｜研究/來自：國(guó)際高級(jí)研究學(xué)院

參考期刊《天體物理學(xué)》

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